LSC metoda za određivanje udela biogene

komponente u tečnim gorivima

Master rad

Mentor Student

Doc. dr Jovana Nikolov Dragana Marić 4m/16

UNIVERZITET U NOVOM SADU

PRIRODNO-MATEMATIČKI

FAKULTET

DEPARTMAN ZA FIZIKU

Ovim putem se zahvaljujem mentoru doc. dr Jovani Nikolov na predloženoj

temi, odvojenom vremenu za izradu ovog rada i prenesenom znanju tokom

studija. Takođe, zahvaljujem se i članovima komisije, prof. dr Nataši Todorović

na motivaciji i podršci tokom osnovnih i master studija i doc. dr Ivani Stojković

čiji rad je značajno doprineo ovom Master radu. Zahvalnost dugujem i prof. dr

Milanu Tomiću na pripremljenim uzorcima biogoriva.

Sadržaj

1. Uvod ................................................................................................................................... 5

2. Scintilacioni detektori ......................................................................................................... 6

2.1. Čvrsti scintilatori .......................................................................................................... 7

Organski kristali .................................................................................................................. 7

Plastični scintilatori ............................................................................................................ 7

Neorganski scintilatori ........................................................................................................ 8

Stakleni scintilatori ............................................................................................................. 8

2.2. Tečni scintilatori ........................................................................................................... 9

Princip detekcije LSC .......................................................................................................... 9

2.3. Fotomultiplikator ....................................................................................................... 11

Stabilizacija napona PM ................................................................................................... 12

Elektron-optički sistem ..................................................................................................... 13

Sistem umnožavanja elektrona ........................................................................................ 14

Statistički šum ................................................................................................................... 17

2.4. MCA ........................................................................................................................... 17

2.5. Efekti prigušenja ........................................................................................................ 19

Redukcija prigušenja ........................................................................................................ 21

2.6. Interferencije u LSC tehnici ........................................................................................ 22

3. Ugljenik – 14 ..................................................................................................................... 23

4. Biogoriva ........................................................................................................................... 26

Vrste biogoriva ..................................................................................................................... 27

Razlika između fosilnih i biogoriva ....................................................................................... 28

Biogoriva i globalno zagrevanje ........................................................................................... 28

5. Eksperimentalni deo ......................................................................................................... 29

5.1. Quantulus 1220 ......................................................................................................... 29

Aktivna i pasivna zaštita Quantulusa................................................................................ 31

Detektorski sistem Quantulusa ........................................................................................ 34

MCA Quantulusa .............................................................................................................. 34

PSA .................................................................................................................................... 36

PAC ................................................................................................................................... 39

Princip rada Quantulusa ................................................................................................... 41

WinQ ................................................................................................................................. 42

Easy View .......................................................................................................................... 44

5.2. Standard C-14 ............................................................................................................ 46

5.3. Kalibracioni uzorci ...................................................................................................... 46

5.4. Direktni LSC metod .................................................................................................... 47

5.5. Priprema uzorka ........................................................................................................ 47

5.6. Metodologija ............................................................................................................. 48

„One-step“ metod ............................................................................................................ 50

„Two-step“ kalibracija ...................................................................................................... 54

Određivanje minimalne granice detekcije – MDA ........................................................... 55

Optimalni odnos zapremine goriva i koktela ................................................................... 58

Optimalna širina prozora .................................................................................................. 59

5.7. Rezultati merenja....................................................................................................... 61

Kalibracija sistema ............................................................................................................ 61

Uzorci ................................................................................................................................ 62

Objedinjene krive ............................................................................................................. 77

Poređenje rezultata kalibracije ........................................................................................ 79

Kontrola metode .............................................................................................................. 80

Komercijalna biogena ulja ................................................................................................ 82

6. Zaključak ........................................................................................................................... 85

Reference ................................................................................................................................. 87

Biografija................................................................................................................................... 89

5

1. Uvod

Tokom 20.veka primećena je povišena koncentracija ugljen-dioksida (CO2) što dovodi

do globalnog zagrevanja Zemlje. CO2 se ponaša kao „omotač“ Zemlje koji joj ne dozvoljava

da diše. Sunčevi zraci prolaze kroz taj sloj i dospevaju na Zemlju. Sa Zemlje se emituje

infracrveno zračenje koje ne može da prođe kroz CO2 omotač i koje je odgovorno za

povećavanje temperature. Efekat staklene bašte je nastao upravo zbog prekomernog

sagorevanja fosilnih goriva. Da bi se usporili ovi efekti, uvode se zakoni koji obavezuju na

smanjeno korišćenje fosilnih goriva, tj. u upotrebu ulaze goriva sa biogenom komponentom.

Prema EU direktivi 2009/28/EC, postavljen je zahtev da do 2020. sva tečna goriva

moraju da sadrže bar 10% biogene komponente (Directive 2009/28/EC, 2009). Zbog toga je

neophodno razviti pouzdanu metodu pomoću koje će se ispitivati udeo biogene komponente

u komercijalnim gorivima.

U ovom radu, predstavljeni su rezultati dobijeni pomoću direktne metode na tečnom

scintilacionom detektoru (Liquid Scintillation Counter – LSC) koja je brza, jednostavna i

precizna. Metoda je, takođe, razvijena i u Španiji (Idoeta, 2014), Sloveniji (Krištof, 2013) i

Hrvatskoj (Krajcar et al., 2016).

Direktna LSC metoda se bazira na merenju koncentracije aktivnosti C-14 tečnim

scintilacionim detektorom. Tehnika je vrlo osetljiva u skladu sa drugim sadržajem

radiokarbona u uzorku i razlikuje biogena i fosilna goriva. U biogorivima se nalazi C-14, dok

ga u fosilnim nema. Merenjem C-14 u uzorku možemo dobiti informaciju o udelu biogene

komponente u gorivima (Krajcar et al., 2016). U radu je izvršena kalibracija LSC metode sa

gorivima čiji je biogeni udeo poznat, dok je sama metoda proverena pomoću kontrolnih

uzoraka goriva (sintetisanih biogoriva u različitom procentu) i komercijalno dostupnih ulja

koja bi trebala da budu potpuno biogena. Uzorci biogoriva su sintetisani na Poljoprivrednom

fakultetu, Univerzitetu u Novom Sadu.

6

2. Scintilacioni detektori

Detektor zračenja predstavlja sistem u kome dolazi do interakcije zračenja sa

materijom i može biti integralnog i diferencijalnog tipa. Razlika između njih je što integralni

mere ukupnu energiju zračenja, dok diferencijalni registruju pojedinačne čestice, ponekad ih

čak i prebrojavaju (Gajger-Milerov brojač). Istorijski su prvo nastali gasni detektori, međutim

kao veoma efikasnim su se pokazali i scintilacioni detektori koji se karakterišu kao

diferencijalni detektori električnog tipa. Prvi scinitlator je konstruisao Rendgen koji je

pokazao da premaz zink-sulfida (ZnS) na običnom kartonu može da detektuje alfa čestice. Za

detektovanje beta i gama čestica bili su potrebni scintilatori prozirni za sopstvenu svetlost,

što premaz ZnS nije bio. Prednost detektora prozirnih za svoju svetlost je što mogu da koriste

celu zapreminu kao radnu, a ne samo površinu, tako da mogu da registruju beta i gama

čestice. Ovaj tip materijala postaje proziran za svoju svetlost zbog osobine da pobuđeni

elektroni idu u više vibracione nivoe singletnih traka, a deekscitovani silaze sa osnovnog

singletnog nivoa, tako da je emisioni spektar pomeren ka nižim energijama, odnosno višim

talasnim dužinama (Krmar, 2013).

Scintilatori su materijali u kojima zračenje izaziva emisiju svetlosti, tj. scintilacije.

Zračenje pobuđuje atome scintilatora, koji se posle nekog vremena vraćaju u osnovno stanje

i emituju fotone. Fotoni izbijaju elektrone sa katode fotomultiplikatora, koji se zatim

ubrzavaju i umnožavaju, pri čemu se dobija signal na izlazu. Scintilatori mogu biti organski i

neorganski. Za razliku od neorganskih scintilatora koji imaju veliki svetlostni odziv, ali su

dosta spori, organski imaju mali odziv, ali veću brzinu. Takođe, u organskim scintilatorima

veliki jonizacioni gubitak energije uzrokuje veliku gustinu pobuđenih molekula, što povećava

interakcije unutar molekula. U merenju velikog broja događaja nenadmašni su organski

scintilatori. Oni se često koriste u sistemima koji detekuju brze sukcesivne događaje.

7

2.1. Čvrsti scintilatori

Pored podele scintilatora na organske i neorganske, oni se mogu podeliti i na čvrste,

tečne, pa čak i gasne. Organski scintilatori su aromatična ugljovodonična jedinjenja. Jedna od

njihovih najistaknutijih karakteristika je veoma brz raspad, reda nekoliko nanosekundi ili čak i

manje. Scintilacije u ovim jedinjenjima potiču od prelaza valentnih elektrona. Na osnovu

molekularne prirode luminiscencije u organskim scintilatorima, oni mogu da se koriste kao

detektori u formi organskih kristala, organskih tečnosti i plastike.

Organski kristali

Najčešći organski kristali su antracen (C14H10), trans-stilben (C14H12) i naftalin (C10H8).

Sa izuzetkom antracena čije je vreme raspada 30ns, ovi kristali imaju brz vremenski odgovor,

reda nekoliko ns. Za konstantan izvor zračenja, amplitude zavise od orijentacije kristala.

Organski kristali su teški i dosta izdržljivi, iako je stilben pomalo krt i osetljiviji na termalne

promene. Kod ovakvih kristala je teže obezbediti željenu formu. Zbog ovih razloga stilben i

antracit se skoro više i ne koriste. Međutim, antracen omogućava najviši izlazni signal od svih

organskih kristala, pa se zato koristi kao referetni kristal za poređenje izlaznih signala drugih

scintilatora (Leo, 1994).

Plastični scintilatori

U nukleanoj fizici i fizici čestica, najčešće se koriste plastični scintilatori od svih

organskih. To su, takođe, rastvori organskih scintilatora, ali u čvrstom plastičnom rastvaraču.

Najšire rasprostranjene plastike su polivinil toluen, polifenilbenzen i polistiren. Neki od

primarnih rastvora su PBD, p-terfenil i PBO, najčešće koncentracije g/l. Često se dodaju i

sekundarni rastvori, kao što je POPOP, zbog svojstva da pomera talasne dužine u malim

iznosima.

Jedna od brojnih prednosti plastika je fleksibilnost. One su lako oblikovane do

željenih oblika i proizvode se za komercijalnu upotrebu, u različitim oblicima, veličinama i to

po relativno povoljnoj ceni. Mogu biti u formi tankih filmova, pa sve do velikih blokova i

cilindara. Različite vrste zadovoljavaju različite nivoe transmisije svetlosti, brzine... Generalno

su dosta čvrste, ali mogu biti nagrižene organskim rastvorima kao što su aceton i ostala

aromatična jedinjenja. Međutim, plastike su otporne na čist metilal, silikonske masti i niže

8

alkohole. Prilikom rukovanja nezaštićenom plastikom, preporučljivo je da se nose pamučne

ili sterilne rukavice, jer telesne kiseline mogu da prouzrokuju oštećenja plastike posle nekog

vremena (Leo, 1994).

Neorganski scintilatori

Neorganski scintilatori su uglavnom kristali alkalnih halogenida koji sadrže male

količine aktivatora. NaI(Tl) je čest neogranski scintilator natrijum-jodida koji je dopiran

talijumom. Manje korišćeni su CsI(Tl), CsF2, CsI(Na), KI(Tl) i LiI(Eu). Bi4Ge3O12, BaF2, ZnS(Ag),

CaWO4 i CdWO4 su neorganski scintilatori koji nisu alkalnog porekla.

Glavna mana ovih kristala je higroskopnost. Osetljivi su na vlagu i zato se moraju

dobro izolovati i zaštititi. Iako postoje određene poteškoće kod korišćenja ovakvih

scintilatora, postoje i mnoge prednosti. Zbog velike gustine i visokog atomskog broja

materijala, imaju i veću zaustavnu moć. Od svih scintilatora, imaju i najviše izlazne signale,

što doprinosi boljoj energijskoj rezoluciji. To ih čini veoma pogodne za detekciju gama

zračenja i visokoenergetskih elektrona i pozitrona.

Stakleni scintilatori

Stakleni scintilatori su litijum ili borosilikat sa primesama cerijuma. Prevashodno se

koriste za neutronsku detekciju, iako su osetljivi i na beta i gama zračenje. Boronski

scintilatori imaju deset puta niže izlazne signale od litijumskih, pa se retko koriste. Značajni

su zbog otpornosti na sve organske i neorganske reagense, osim fluorovodonične kiseline.

Imaju visoku tačku topljenja i izuzetno su otporni, što ih čini pogodnim u ekstremnim

uslovima. Prema brzini reagovanja su između plastičnih i neorganskih kristala, reda nekoliko

desetina nanosekundi. Izlazni signal je nizak i ne prelazi 25-30% vrednosti koja se dobija sa

antracenom. Za detekciju niskoenergetskih neutrona, moguće je povećati osetljivost

obogaćenjem litijuma komponentom Li-6. Razdvajanje neutronskih događaja od gama

zračenja postiže se diskriminatorom visine impulsa (Leo, 1994).

9

2.2. Tečni scintilatori

Organski scintilatori mogu biti i u tečnom stanju (ksilen i toluen). Organske tečnosti

su tečni rastvori organskih scintilatora u organskom rastvaraču i iako je sam scintilacioni

proces isti kao i kod kristalnih organskih scintilatora, mehanizam apsorpcije energije se

razlikuje. U rastvorima, energiju najčešće upija rastvor, pa je zatim predaje rastvorenoj

supstanci. Transfer se obavlja veoma brzo i efikasno, ali dolazi do gubitaka, tj. do efekta

prigušenja. Ovakvi detektori se nazivaju tečni scitilacioni detektori – LSC (Liquid Scintilation

Counters).

Za idealni scintilator i malu jonizacionu gustinu važi da je luminiscencija direktno

proporcionalna energiji izgubljenoj u scintilatoru. Glavni cilj pri upotrebi scintilacionih

detektora je da se dobije što veća scintilacija (svetlostni odziv) u vidljivom delu spektra i to

dobijamo promenom gustine jonizacije.

Merenja su pokazala da se povećanjem koncentracije rastvorene supstance povećava

i efikasnost tečnih scintilacionih detektora. Tipične koncentracije su 3g po litru rastvrača. Još

jedna velika prednost organskih scintilatora je što se mogu dopirati drugim materijalima tako

da im se efikasnost poveća. Mešanje materijala međutim smanjuje svetlosni odziv, a najbolji

rezultati su dobijeni dodavanjem naftalina i bifenila u organski scintilator.

Princip detekcije LSC

Tečni scintilacioni detektor (LSC) se koristi za merenje jonizujućeg, alfa i beta,

zračenja. Neophodno je da uzorak bude u tečnom obliku i da sadrži što manje nečistoća, da

bude homogen i bezbojan - transparentan. Uzorak se meša sa scintilatorom u bočici, pa

samim tim, rastvor uzorka predstavlja aktivnu zapreminu detektora. Rastvara se u

scintilacionom koktelu koji je organski rastvarač i sadrži male količine aditiva (fluor). Fluor se

koristi zbog efikasnije detekcije. LSC koristi aromatične rastvarače (Slika 1) koji mogu biti

visokotoksični i lako zapaljivi – klasični (toluen, m-ksilen, p-ksilen, kumen i pseudo-kumen) i

bezbedniji, manje toksični. Koriste se derivati benzena zbog velike gustine elektrona, što

utiče na količinu fluorescencije.

10

Slika 1. Organski aromatični rastvarači.

Energija zračenja se predaje rastvaraču, a zatim i fluoru. Apsorpcijom zračenja,

molekuli fluora prelaze u pobuđeno stanje, viška energije se rešavaju tako što emituju

vidljive fotone svetlosti i prelaze u niže energijsko stanje. Upravo ova emitovana svetlost

predstavlja scintilacije. Fluor emituje zračenje talasnih dužina koje se mnogo lakše detektuju

u odnosu na talasne dužine koje emituju molekuli rastvarača.

Pomoćnim sistemom ogledala sakupljaju se svi emitovani fotoni i usmeravaju na

fotomultiplikatorske cevi (PMT) o kojima će biti više reči u narednom poglavlju. Potrebno je

obezbediti što efikasniji prenos energije, da bi se povećala sama efikasnost detekcije.

Konvertovani električni signali se smeštaju u memoriju – MCA (Multi Chanal

Analizator). MCA je višekanalni analizator koji smešta signale na određena mesta u zavisnosti

od visine signala.

11

2.3. Fotomultiplikator

Fotomultiplikatorske cevi su cilindrične elektronske cevi koje služe za detektovanje

scintilacija, pojačavanje ulaznog signala i pretvaranje svetlosti u električni signal čiji je

intenzitet proporcionalan energiji detektovanog fotona. PMT su vakumirane i sadrže

fotokatodu, fokusnu rešetku, 10-20 dinoda i anodu. Svetlost koju scintilator emituje pada na

fotokatodu i sa nje se emituju fotoelektroni. Efikasnost u konverziji svetlosti u elektrone je 1-

3 fotoelektrona na 10 fotona svetlosti.

Slika 2. Princip umnožavanja elektrona u fotomultiplikatoru.

Elektroni su ubrzani i usmereni ka prvoj dinodi. Sistem za ubrzavanje elektrona

pojačava slabu struju korišćenjem niza sekundarno emisionih elektroda. Dinode su elektrode

koje se održavaju na većem naponu nego katoda i emituju sekundarne elektrone.

Umnožavanjem se dobija pojačan, merljiv izlazni signal. Sekundarna emisija je proces sličan

fotoemisiji, jedina razlika je to da umesto fotona emisiju izaziva elektron. Energija se

direktno prenosi elektronima u materijalu dinoda koji uspevaju da se oslobode. Sa prve

dinode se obično izbijaju 3-10 novih elektrona. Faktor multiplikacije elektrona zavisi od

energije fotoelektrona, tj. napona između katode i dinode. Svaka sledeća dinoda se nalazi na

većem potencijalu, što se postiže nizom redno vezanih otpornika i proces umnožavanja se

ponavlja. Ukupan broj elektrona se umnožava i do 108 puta, pa zato svetlosni signal kojim se

osvetljava katoda može da bude veoma slab. Iza poslednje dinode je postavljena anoda, koja

je na najvišem potencijalu i prikuplja sve elektrone (Krmar, 2013).

12

Fotomultiplikatori mogu da rade u kontinualnom (prilikom konstantne iluminacije) i

impulsnom modu (za detekciju scintilacija). U oba slučaja važi linearna zavisnost između

izlaznog signala i broja fotona. Detektor nastao kuplovanjem scintilatora i PMT obezbeđuje

informaciju o vrsti čestice, kao i njenoj energiji koju je izgubila u scintilatoru. U scintilatoru se

proizvode fotoni čija je energija proporcionalna ukupnoj deponovanoj energiji.

Stabilizacija napona PM

Da bi fotomultiplikatorska cev mogla pravilno da funkcioniše, potreban joj je izvor

visokog napona, koji mora biti veoma stabilan, jer se faktor umnožavanja brzo menja sa

promenom napona između dinoda. Najbolja stabilizacija napona se može postići sistemom

naponskih razdelnika koji se sastoji od otpornika koji su izabrani tako da obezbeđuju željeni

napon između dinoda. Otpornici se mogu postaviti i između katode i ubrzavajuće elektrode.

U dizajniranju razdelnika, važno je sprečiti pojavu velikih potencijalnih varijacija između

dinoda koje se javljaju zbog promenljive struje u PMT. Varijacije bi mogle da izazovu

promene u pojačanju i linearnosti PMT. Zbog toga je bitno da struja u nizu otpornika

(bleeder struja) bude uporediva sa strujom u PMT cevi (Leo, 1994).

Slika 3. Sistem naponskih razdelnika.

13

Elektron-optički sistem

Nakon što se elektroni izbiju sa fotokatode, moraju da se kolektuju i fokusiraju na

prvu dinodu. Ovo se postiže elekton-optičkim sistemom. Najčešće je dovoljno primeniti

električno polje odgovarajućih konfiguracija, mada je moguće i kombinovanje električnog i

magnetnog polja, što je veoma retko u ovom slučaju.

Slika 4. Elekton-optički sistem u PMT.

Na Slici 4 prikazana je šema tipičnog optičkog sistema. Ubrzavajuća elektoda je na

istom potencijalu kao prva dinoda i koristi se zajedno sa elektrodom za fokusiranje. Linije na

slici predstavljaju moguće putanje elektrona. Nezavisno od dizajna optičkog sistema, dva

uslova moraju biti zadovoljena:

Sakupljanje elektrona mora da bude što je efikasnije moguće, tj. potrebno je da što

više emitovanih elektrona stigne do mesta gde elektroni počinju da se ubrzavaju.

Vreme potrebno da elektron stigne od katode do prve dinode, treba što manje da

zavisi od mesta emisije. Ovaj zahtev je posebno važan za brze PMT koji se koriste u

timing eksperimentima koji određuju vremensku rezoluciju detektora.

14

Sistem umnožavanja elektrona

Sistem za ubrzavanje elektrona pojačava slabu struju korišćenjem niza dinoda. S

obzirom na to da provodni elektroni u metalima ometaju emisiju elektrona, izolatori i

poluprovodnici su bolji izbor i u ovom slučaju. Međutim, konstantno električno polje mora da

se održava između dinoda da ubrzava i usmerava elektrone. Što znači da se sekundarne

emisije deponuju na provodničkim materijalima. Tokom procesa mešanja (za formiranje

legura alkala ili alkalnih zemljanih metala sa nekim plemenitm metalima), alkalni metali

oksidiraju, pa se nanosi tanak izolacioni sloj na provodničkoj osnovi. Materijali koji se često

koriste su Ag-Mg, Cu-Be i Cs-Sb. Oni imaju različite prednosti, ali svi ispunjavaju uslove

dobrog materijala dinoda. Imaju visok faktor sekundarne emisije (broj sekundarnih elektrona

emitovanih na jedan primarni elektron), dobru stabilnost za visoke struje, niske termalne

efekte i relativno nizak šum (Leo, 1994).

U idealnom slučaju, sistem umnožavanja elektrona bi trebao da obezbedi stalno

pojačanje za sve fiksne energije elektrona. U praksi se ovo ne dešava zbog statističke prirode

procesa sekundarne emisije. Pojedinačni elektroni istih energija ulaze u sistem i proizvode

različiti broj sekundarnih elektrona, što dovodi do fluktuacija u pojačanju. Fluktuacijama

dodatno doprinose i sekundarne emisije na površini dinoda, razlike u vremenu prelaska

elektrona od jedne do druge dinode, itd.

Varijacija u pojačanju zavise od varijacija napona.

(1)

Većina konvencionalnih PMT sastoji se iz 14 etapa, koje doprinose ukupnom pojačanju i do

107 puta.

Dinodne žice mogu da se konstruišu na različite načine, a u zavisnosti od konfiguracije

utiču na vreme odziva i opseg linearnosti PMT. Danas se koriste pet tipova:

vertikalni zastori,

box and grid,

linearno fokusirani,

kružno fokusirani i

15

mikrokanalna ploča.

Kod vertikalnog tipa, dinode su jednostavno poređane i dimenzije nisu

problematične. S druge strane, nemoguće je sprečiti da deo primarnih elektrona prođe pravo

između dinoda što dovodi do slabijeg pojačanja signala i većih varijacija u tranzicionom

vremenu. Ovaj problem je rešen uvođenjem konfiguracija box and grid, linearnih i kružnih

tipova, koji reflektuju elektrone od jedne do druge dinode. Neke od prednosti ovih tipova su

efikasna iskorišćenost prostora (više dinoda se koristi u istom prostoru) i katoda i anoda su

dosta dobro izolovane pa nema rizika od feedback-a (povratnih informacija).

Slika 5. Venecijanski (a), box and grid (b) i linearni (c) tip konstrukcije dinoda.

Poslednjih godina, razvijen je mikrokanalni tip koji predstavlja ploču od olovnog stakla

sa paralelnim kanalićima dijametra 10-100μm. Unutrašnje površine kanala su tretirane

poluprovodničkim materijalima tako da se ponašaju kao emiteri sekundarnih elektrona, dok

je sama ploča obložena metalnim legurama, što dozvoljava da se primeni napon duž šupljina.

Kada elektron uđe u kanal, ubrzava se i na kraju udari u zid i oslobode novi elektron iz

materijala koji se dalje ubrzava na isti način. Mikrokanali se u stvari ponašaju kao

kontinualne dinode. Tipične mikrokanalne ploče sadrže 104-107 kanala i obezbeđuju

pojačanje od 103-104. Za jače pojačanje, mogu se koristiti dve ili više ploča.

16

Slika 6. Mikrokanalni tip dinoda.

Uobičajena konfiguracija mikrokanalnih ploča - ševron (chevron) prikazana je na Slici

7. Kanali su orijentisani pod uglom u odnosu na površinu ploče i međusobno da bi se izbegao

problematični feedback pozitivnih jona koji se povremeno formiraju u kanalima i vraćaju se

nazad do šupljine. Pojačanje u ovoj konfiguraciji je u opsegu 105-107, uporedivo sa

konvencionalnim dinodnim strukturama. Njena prednost je u poboljšanim vremenskim

karakteristikama zahvaljujući manjim dimenzijama. Tranziciono vreme je svega nekoliko

nanosekundi, dok je kod konvencionalnih ono nekoliko desetina nanosekundi. Vremenska

rezolucija je manja ili jednaka 100ps. Zbog manjih ploča, PMT su manje osetljive na

magnetna polja. Nedostaci ove konfiguracije su visoki troškovi i to što tek treba da se pokaže

koliko su pouzdani.

Slika 7. Ševron konfiguracija mikrokanalnih ploča.

17

Statistički šum

Statistički šum je direktna posledica statističke prirode fotoemisije i procesa

sekundarnih emisija. Za konstatan intenzitet svetlosti, broj emitovanih fotoelektrona i

sekundarnih elektrona će fluktuirati vremenom. Zbog toga će i struja na izlazu takođe

fluktuirati, što je prikazano na Grafiku 1.

Grafik 1. Statističke fluktuacije šuma u PMT.

Statističke fluktuacije potiču od fotokatode i elektronskog sistema za umnožavanje.

Na fotokatodi se dešava fotoelektrični efekat koji je statističke prirode. Fluktuacije sistema za

umnožavanje potiču, takođe, od statističke prirode, ali i od razlike u tranzitnim vremenima

elektrona, različitih faktora sekundarne emisije dinoda i drugih faktora.

2.4. MCA

Višekanalni analizator (MCA - MultiChannel Analyzer) je veoma važan urađaj pomoću

koga se dobija distribucija signala sačinjena od impulsa. Vrši selekciju ulaznih signala po visini

i čuva odbroj svake visine siganla u višekanalnoj memoriji. Sadržaj svakog kanala može biti

prikazan, pri čemu se dobija spektar visine signala. MCA vrši digitalizaciju ulaznog signala

pomoću analogno-digotalnog pretvarača (ADC). ADC određuje visinu pulsa, pozicionira i

memoriše podatke. MCA preuzima brojeve od ADC i dodeljuje ih memoriji kanala čije adrese

su proprcionalne digitalizovanim vrednostima. Ukupan broj kanala u koje je digitalizovan

opseg napona naziva se konverzicioni odnos i on određuje rezoluciju MCA. U komercijalnim

uređajima konverzioni faktor je najčešće 128 (Nikolov, 2016).

18

Slika 8. Blok dijagram MCA.

Najvažniji delovi MCA su ADC i memorija u kojoj se signali čuvaju. Takođe, neophodna

su i logička kontrolna kola. Da bi se obezbedilo dovoljno vremena za digitalizaciju ulaznih

signala, postavljaju se zahtevi u vezi sa vremenom rasta i širinom dolazećih analognih

signala. Da bi se proces što više pojednostavio i olakšao, postoji više modova za adaptiranje

signala. MCA sadrži i diskriminator, linearni gate i mikroprocesor kod sofisticiranijih modela.

Kod nekih većih modela, MCA može da radi i u MCS modu, tj. scaling modu. Tada uređaj ne

radi kao selektor visine impulsa, nego kao skaler, pri čemu se svaki kanal ponaša kao posebni

skaler. MCA broji incidentne impulse u određenom vremenu (dwell time) i memoriše taj

podatak u prvi kanal. Postupak se i dalje ponavlja, u drugi kanal se smešta broj impulsa za

neko drugo vreme i tako dalje(Krmar, 2013).

19

2.5. Efekti prigušenja

Efekat prigušenja (quench) predstavlja redukciju realne količine zračenja koju uzorak

emituje. Dolazi do gubitka u procesu prenosa energije i samim tim se dobijeni spektar

pomera ka nižim energijama. Kod beta emitera viših energija manji su efekti prigušenja u

odnosu na niskoenergetske emitere.

Slika 9. Prikaz ekefata prigušenja na spektar zračenja.

Postoje tri vrste prigušenja: fizičko, hemijsko i quench boje.

Do fizičkog prigušenja dolazi zbog postojanja nečistoća unutar rastvora koji se

analizira. Nečistoće se ponašaju kao barijere između radioaktivnih čestica uzorka i molekula

koktela koje apsorbuju svetlost koju izvor emituje i na taj način se energija zračenja

smanjuje. Do fizičkog prigušenja dolazi i kada se koriste vodeni organski rastvori u kojima se

stvaraju dve faze.

Hemijski gubitak energije se dešava prilikom tranfera zračenja kroz molekule

rastvarača koji nemaju aromatičnu strukturu i apsorbuju energiju pre nego što se pretvori u

svetlosni impuls. Energija zračenja se apsorbuje u jedinjenjima koja neće reemitovati

celokupnu apsorbovanu energiju. Do scintilatora neće doći celokupna energija, pa ni do

detektora ne dolazi realna količina svetlosti. Zbog toga je veoma bitna upotreba

scintilacionog koktela, koji je sam po sebi otporan na prigušenje.

20

Quench boje nastaje kada se emitovana svetlost apsorbuje u obojenom delu uzorka.

Energijski prenos može pravilno da se obavi, ukoliko ne dođe do apsorbovanja ili rasejanja na

boji u rastvoru. Zbog toga je vema bitno da uzorak bude homogen i bezbojan. Fluorescentne

emisije se dešavaju u plavom delu spektra. Redosled zastupljenosti quencha boje jecrvena →

narandžasta → žuta → zelena → plava (Nikolov, 2016).

Slika 10. Prikaz prigušenja zračenja – Quench efekat.

Prilikom quencha boje broj emitovanih fotona ostaje nepromenjen, ali se smanjuje

broj fotona koji stižu do PMT.

21

Redukcija prigušenja

Efekti prigušenja se redukuju SQP parametrom. Za određivanje SQP(E) koristi se

eksterni standard europijum-152, perioda poluraspada 13.5 god i maksimalne aktivnosti 37

kBq. Proizvodi se prilikom fisije uranijuma-235 ili neutronskom aktivacijom. Proces

proizvodnje standarda sastoji se iz dve faze. Priprema samog radioizotopa i enkapsuliranje u

metalne kapsulese izvodi u radiohemijskoj laboratoriji. SQP se dobija snimanjem spektra

europijuma i predstavlja kanal do koga je snimljeno 99% spektra tog izvora.

Merenje SQP(E) se vrši u dve faze. Prvo se eksterni standard dovodi do uzorka i snima

se spektar, tj. suma odbroja iz uzorka i Komptonovih uzmaknutih elektrona iz gama

interakcija. Nakon toga, europijum se sklanja i snima se samo spektar uzorka, i to u istom

vremenskom intervalu kao i snimanje prvog spektra. Za uzorke izuzetno visoke aktivnosti

dobija se SQP(E) sa većim odstupanjem (čak i do 3%). Da bi se redukovao uticaj statističkih

fluktuacija, preporučuje se merenje u trajanju 10+10min (Nikolov, 2016).

22

2.6. Interferencije u LSC tehnici

Kod metode merenja pomoću tečnog scintilacionog detektora javljaju se i određene

smetnje koje utiču na tačnost eksperimenta. Neke od njih su pozadinsko zračenje, statički

elektricitet, efekat zidova, mešanje radionuklida i luminiscencije.

Pozadinsko zračenje (background) predstavlja zračenje koje dolazi iz okoline

(prirodna radioaktivnost, kosmičko i spoljašnje zračenje) i od samog instrumenta. Smetnje

koje potiču od backgrounda su PMT „crosstalk“ (neželjeni signali) i šum instrumenta.

Dobijene rezultate je potrebno korigovari za vrednost backgrounda, da bi se dobio realan

odbroj uzorka. Background se može odrediti dovoljno dugim merenjem bočice sa

scintilacionim koktelom. Postoji nekoliko metoda za redukovanje pozadinskog zračenja, a to

su koincidentna kola, pasivna zaštita (olovo i bakar), aktivna zaštita (guard detektori),

podešavanje PAC-a i upotreba posebnih pločica sa niskim backgroundom.

Statički elektricitet može nastati na samim bočicama i u toku pripreme uzorka,

trenjem između dva materijala. Pražnjenje elektriciteta se može desiti u toku merenja pri

čemu se javlja varnica koja se može detektovati kao scintilacija.

Do dodatnih scintilacija može doći prilikom prodiranja koktela u same zidove bočice.

Ova smetnja naziva se efekat zidova. Dobija se veći obroj nego što bi realno trebalo, pa je

potrebno izvršiti korekciju na ovaj efekat, tj. sprečiti da do njega dođe i to upotrebom

bezbednih koktela koji neće reagovati sa materijalom od koga su bočice napravljene.

Kada se više radionuklida nalaze u uzorku, moće doći do preklapanja njihovih

spektara i prikazivanja sumarnog efekta.

Luminiscencija predstavlja proces koji se dešava prilikom apsorpcije energije koja ne

potiče od nuklearnog zračenja i emitovanja fotona koji prate ekscitaciju. Bioluminiscenciju

uzrokuju fotoni koji nastaju u biohemijskim reakcijama. Fotoluminiscencija je jednofotonski

proces i nastaje tokom eksponiranja smeše (uzorak-fluor-koktel) UV zračenju. Eliminiše se

ostavljanjem uzorka na tamnom 10-15min. Hemiluminiscencija potiče od hemijskih reakcija

u koktelu.

23

3. Ugljenik – 14

Ugljenik ima dva stabilna izotopa C-12 i C-13 i jedan nestabilni C-14 sa periodom

poluraspada 5730 god. Njihova izotopska zastupljenost je 98.89% (C-12), 1.11% (C-13) i 10-12

(C-14).

C-14 je otkriven 1940. od strane Martina Kamena i Sema Rubena na Univerzitetu u

Kaliforniji. Jedini je radioaktivni izotop ugljenika, jer sadrži 6 protona i 8 neutrona. C-14 je

beta emiter, kosmogenog porekla. Emituje beta čestice maksimalne energije 156keV.

Slika 11. Šema raspada C-14.

14C →14N + e + 𝜈.

Prirodni C-14 se proizvodi u gornjim slojevima atmosfere, najčešće egzotermnom

reakcijom (n,p). Dolazi do zahvata neutrona na jezgru azota

n + 14N → p + 14C, Q=0.63MeV.

Moguća je i sledeća reakcija (d,p)

d + 13N → p + 14C.

Glavni izvori veštačkog C-14 su „C-14 bombe“. Proizvodi se tokom atmosferskog

testiranja nuklearnog oružja. Jezgra azota u atmosferi reaguju sa visokim fluksom neutrona iz

eksplozija nuklearnih uređaja, pa se zato u okolini nuklearnih postrojenja primećuje lokalno

povećanje koncentracije C-14.

Zajedno sa stabilnim izotopima C-12 i C-13 se kombinuje sa atmosferskim kiseonikom

formirajući ugljen-dioksid. CO2 i ulazi u životni ciklus biljaka, životinja i ljudi.

24

Produkcija C-14 je bila konstantna tokom godina,

𝐶14

𝐶12 + 𝐶13= 1.2 ∙ 10−12 (2)

pa se ni specifična aktivnost od 250 Bq/kg takođe nije menjala. Međutim, tokom nuklearnih

proba 1955. i 1963. neutronski fluks je uticao na produkciju duplo većeg broja C-14. Nakon

toga, količina C-14 se vratila na prethodnu vrednost pre nuklearnih testova, čak i nekoliko

procenata niže zbog povećanog sagorevanja fosilnih goriva bez sadržaja ugljenika-14.

Ugljenik-14 je radioizotop koji ima veoma važnu primenu u određivanju starosti

organskih materijala. Vreme poluraspada C-14 je 5730 god, pa je najveća starost koja se

može odrediti oko 60000god. Stariji materijali imaju manje C-14 u sebu, pa se on teže i

registruje. Nakon smrti organizma prestaje da se nadoknađuje C-14, njegova količina i

aktivnost se smanjuje prema zakonu radioaktivnog raspada. Ovom metodom dobijamo

informaciju samo o vremenskom intervalu kada je nastupila smrt organizma (Basdevant,

2004).

Metoda C-14 je apsolutna metoda za datiranje organskih, biogenih materijala, kao što su

drvo, kosti, papir... Postoje dve metode datiranja, radiometrija i AMS. Radiometrijska

metoda broji raspade C-14 u vremenu. Potrebna masa uzorka je 10-50g, a masa ugljenika 1-

5g. Raspadi se mogu detektovati gasnim ili tečnim scintilacionim brojačem. AMS predstavlja

akceleratorsku masenu spektrometriju. U spektrometru se razdvajaju izotopi ugljenika i

broje se atomi C-14. Za AMS metodu, potrebna je manja masa uzorka (1g) i ugljenika (2mg),

a i dobijaju se precizniji rezultati (Krajcar et al., 2015).

U atmosferi dolazi do manjih fluktuacija koncentracije C-14, ali se ona može smatrati

konstantnom. Ako se pretpostavi da živi organizam u sebi sadrži konstantnu vrednost

radioaktivnog ugljenika, onda će i njegova aktivnost biti konstantna i iznositi 𝐴0. Kada

nastupi smrt organizma, C-14 prestaje da se nadoknađuje i kreće da opada i to po

eksponencijalnom zakonu

𝐴 = 𝐴0𝑒−𝜆𝑡, (3)

gde je A aktivnost materijala u trenutku t, 𝐴0 (početna) koncentracija tokom života

organizma, a 𝜆 konstanta radioaktivnog raspada ugljenika.

25

Znajući period poluraspada C-14 dobijamo konstantu raspada na sledeći način

𝜆 =𝑙𝑛2

5730. (4)

Starost uzorka materijala se određuje na osnovu sledeće relacije

t = 𝑙𝑛

𝐴0𝐴

𝜆 = 8033 𝑙𝑛

𝐴0

𝐴. (5)

Na sledećem grafiku, prikazan je primer radioaktivnog raspada ugljenika-14. Tačka 1

predstavlja trenutak smrti organizma, tj. početak brojanja starosti organskog materijala. U

tom trenutku je aktivnost ugljenika i dalje 𝐴0. Ako nas zanima starost materijala (npr. u tački

2), na osnovu izmerene aktivnosti 𝐴 se može vrlo jednostavno izračunati vreme t koje je

prošlo od smrti.

Grafik 2. Grafički prikaz radioaktivnog raspada C-14.

Datiranje pomoću C-14 je našlo primenu u umetnosti, arheologiji, paleontologiji,

geologiji i forenzici. Ovom metodom je moguće primetiti razliku između originalnog dela i

imitacija, kao i prepoznavanje restauriranih i prepravljanih predmeta. Metoda datiranja C-14

je, takođe, našla primenu u hidrologiji, u određivanju starosti podzemnih voda (Krajcar et al.,

2015).

26

4. Biogoriva

Biogorivo je gorivo čija se energija dobija procesima fiksacije biološkog ugljenika.

Fiksacija koristi neorganski ugljenik (u formi CO2) i pretvara ga u organska jedinjenja

(proteine, masti, alkohole...). S obzirom na to, svaki proces koji pretvara ugljendioksid u

molekul koji može da se nađe u živom organizmu je fiksacija, a ako se dešava u organizmu,

onda je u pitanju biološka fiksacija. Biogoriva predstavljaju ugljovodonike proizvedene u ili

od strane živih organizama. Dobijanje ugljovodonika iz organske materije kraje relativno

kratko (nekoliko dana, nedelja ili meseci), dok se fosilna goriva formiraju milionima godina.

Moguća je proizvodnja biogoriva i hemijskim reakcijama u laboratorijama ili industrijskim

okruženjima (biomasa). Biomasa je organska materija, tj. mrtav materijal koji je nekad bio

živ, npr. zrna kukuruza, tepisi algi, stabljike šećerne trske.

Jedini uslov koji biogorivo treba da ispuni je da je početni materijal CO2 iz žive

materije i da se finalni produkt brzo proizvodi. Jedna od najbitnijih karakteristika biogoriva je

njihova obnovljivost. Potrebno je istaći da obnovljiva energija nije isto što i zelena energija.

Svi vidovi zelene energije su obnovljivi, ali nisu svi obnovljivi vidovi i zeleni. Biogoriva su

primer obnovljivih izvora energije koji nisu uvek zeleni, jer proizvode efekat staklene bašte.

To što su biogoriva obnovljiv izvor energije ne znači da mogu da se proizvode u

neograničenim količinama. Na svetu ne postoji dovoljno površine za uzgajanje i hrane i

biomase. Kako populacija raste, zahtevi za hranom se povećavaju i ostavljaju manje prostora

za obnovu biogoriva (http://biofuel.org.uk/).

27

Vrste biogoriva

Biogoriva se dele na čvrsta, tečna i gasovita. U čvrsta spadaju drvo (cepanice, briketi,

pelet, iverje...), seno, slama i drugi biljni ostaci. Postoji nekoliko podgrupa tečnih biogoriva:

alkoholna, bio-ulja, gasovita biogoriva u tečnom stanju... U gasovitom stanju su biogas, neki

generatorski i destilacioni gasovi nastali preradom biomase i vodonik nastao cepanjem

ugljovodonika.

Biogoriva mogu imati različite hemijske strukture, kao i fosilna. Najbitnije je da tečna

biogoriva budu jednostavna za prenošenje. U sledećoj tabeli prikazane su vrste biogoriva sa

njihovim pandanima iz fosilnih. Najviše korišćena i najpoznatija tečna biogoriva su etanol,

biodizel, metanol i biobutanol.

Tabela 1. Najpoznatije vrste biogoriva i njihovih pandana fosilnih goriva.

Biogorivo Fosilno gorivo

etanol benzin/etan

biodizel dizel

metanol metan

biobutanol benzin/butan

Etanol ima duplo manju energiju po jedinici mase u odnosu na benzil, što znači da je

potrebno duplo više etanola da bi se dobila ista količina energije kao u slučaju etana. Etanol

sagoreva čistije od benzina i proizvodi manje ugljen-monoksida, ali više ozona pa i znatno

više doprinosi stvaranju smoga. Biodizel proizvodi malo manje energije od običnog dizela i

više nagriza delove motora, pa se posebno dizajniraju motori predviđeni da idu na biodizel.

Kao i kod etanola, sagorevanje je čistije i proizvodi se manje čestica i sumpornih jedinjenja.

Metanol ima jednu trećinu do jednu polovinu manje energije od metana. Metanol je tečnost

i lako se transportuje, dok je metan gas i mora da se kompresuje zbog prenošenja.

Biobutanol stvara za nijansu manje energije od benzina i može da se koristi u svim kolima,

bez prilagođavanja motora.

Biogoriva se mogu klasifikovati u tri generacije. Prva generacija (konvencionalna

biogoriva) se sastoji od šećera, skroba i biljnog ulja. Tu spadaju sirovine koje se mogu koristiti

28

kao ljudska hrana. Druga generacija (napredna goriva) je proizvedena od održivih sirovina.

Održivost je definisana njihovom dostupnošću, uticajem na emisiju gasova staklene bašte, na

korišćenje zemljišta. Biogoriva izvedena iz algi, odnose se na goriva treće generacije.

Razlika između fosilnih i biogoriva

Fosilna goriva sadrže ugljovodonike i nastaju od fosilnih ostataka biljaka i životinja. To

su nafta, ugalj, treset i zemni gas. Energija se obično oslobađa sagorevanjem, prilikom čega

se oslobađaju otrovni gasovi, štetni za prirodu (CO, CO2, SO2, SO3, NO3...). Za formiranje

fosilnih goriva potrebno je da prođe i do nekoliko miliona godina. Pored toga što je

neobnovljiv izvor energije, utiče na globalno zagrevanje stvaranjem efekta staklene bašte i

kiselih kiša. Za razliku od fosilnih goriva koja se smatraju ograničenim izvorima energije,

moguće je koristiti ugljovodonike stvorene brže na drugi način u vidu biogoriva.

Biogoriva i globalno zagrevanje

Sagorevanjem biogoriva, oslobađa se CO2 koji utiče na globalno zagrevanje.

Pogodnost je što se njegov doprinos može smanjiti, uzgajanjem biljaka koje ga koriste. U

slučaju kada bi biljke trošile istu količinu ugljen-dioksida koji se i proizvede, onda ne bi

dolazilo do globalnog zagrevanja. Međutim, nemoguće je proizvesti perpetuum mobile.

Energija se koristi i za proizvodnju useva i pretvaranje u biogorivo. U istraživanjima Kornel

Univerziteta 2005, pokazano je da se za proizvodnju kukuruza potroši 30% više energije nego

što ono može da proizvede (Pimenten et al, 2014).

Drugi problem je proizvodnja drugih štetnih hemikalija, gasova staklene bašte (npr.

oksidi azota). Biljke koje se đubre proizvode dosta oksida azota. Da bi biljke rasle, đubriva

sadrže azot. Međutim, mnoge biljke ne mogu da pretvore molekularni azot u elementarni

azot koji im je potreban. U tome im pomažu bakterije koje proizvode okside azota i azot koji

biljke mogu da koriste. Krajnji rezultat je balans CO2 jednačine korišćenjem biogoriva, ali

disbalans N2O dela jednačine koji i dalje uzrokuje globalno zagrevanje.

29

5. Eksperimentalni deo

5.1. Quantulus 1220

Quantulus 1220 je niskofonski detektor proizvođača Perkin Elmer, Finska. Poseduje

konfiguraciju za tricijum 3H, i ugljenik 14C, kao i mogućnost slobodnog podešavanja (za alfa

čestice niske energije). Efikasnost detekcije za tricijum je 66%, a za ugljenik-14 čak 95%.

Quantulus odlikuje visoka stabilnost, varijacije manje od 0.2% za 24h.

Detektor je dimenzija 1.01×1.56×0.92m3 i mase oko 1000kg. Pri samoj konstrukciji

uređaja i poziciji laboratorije, potrebno je eliminisati uticaj buke koja potiče od samog

uređaja. Dozvoljena jačina buke je 50-60Hz (Quantulus 1220 Instrument Manual, 2002).

Slika 12. Skica detektora.

Da bi se dobili što tačniji rezultati za merenje uzoraka niskih aktivnosti, potrebno je

obezbediti totalnu optimizaciju. Treba uzeti u obzir sve faktore koji utiču na brojanje

scintilacija. Dizajn i konstrukcija detektora obezbeđuju optimizaciju i proveru dobijenih

podataka na sledeći način. Postignut je optimalni dizajn za redukciju pozadinskog zračenja,

merenja se baziraju na višekanalskoj tehnologiji i eliminaciji buke elektronskih uređaja. Za

optimizaciju i validaciju rezultata koristi se i računar visokog kapaciteta u kome se čuvaju

podaci.

30

Slika 13.Tečni scintilacioni detektor Quantulus 1220.

31

Aktivna i pasivna zaštita Quantulusa

Zbog dugog vremena merenja niskoaktivnih uzoraka treba obezbediti stabilnost

detektora. Potrebno je što tačnije odrediti background jer merna nesigurnost utiče na

detekcionu granicu. Quantulus poseduje sopstveni sistem redukcije fona oko komore u kojoj

se nalaze uzorci. Sastoji se iz aktivne i pasivne zaštite. One štite uzorak od spoljašnjeg

zračenja, eliminišu njegov uticaj i sigurni smo da ćemo prilikom merenja dobiti vrednosti koje

potiču, isključivo, od uzoraka. Dodatna mera zaštite je postavljanje laboratorije na pažljivo

odabranom mestu, u podrumu ili izdvojenom delu zgrade (Quantulus 1220 Instrument

Manual, 2002).

Slika 14. Aktivna (plavo) i pasivna (crveno i sivo) zaštita detektora.

Pasivna zaštita je od olova i bakra. Koriste se materijali visokog rednog broja, tj. velike

gustine, koji dobro apsorbuju prodorno zračenje. Zaštita koja se postavlja iznad komore za

merenje, služi da bi se zaštitio uzorak od prodornog kosmičkog zračenja. Gama zračenje se

otklanja štitovima koji se postavljaju sa strane i ispod komore.

Olovna zaštita je asimetrična i teška, 630 kg. Najdeblji sloj od 20 cm se nalazi iznad

mesta gde se vrši merenje, a u ostalim pravcima debljina je oko 10-15 cm. Debljina zaštite sa

strane je 10 cm, a sa donje strane 15 cm. Najveći intenzitet zračenja dolazi od gore

(kosmičko zračenje), dok se sa donje strane zračenje delom apsorbuje u Zemljinoj kori.

Zračenje koje dolazi sa strane potiče od interakcija kosmičkog zračenja i samog materijala

zaštite. PMT su pre bile obložene slojem kadmijuma, zbog redukcije fluksa termalnih

32

neutrona. Međutim, zbog zdravstvene opasnosti, kadmijum je prestao da se koristi i umesto

njega postavljene su bakarne obloge koje zajedno sa bakarnim štitom atenuira X zračenje. X

zračenje potiče od male količine 210Pb u olovnoj zaštiti(Quantulus 1220 Instrument Manual,

2002).

Guard je takođe asimetričan i sadrži aktivnu zaštitu. Cilindričnog je oblika i u njemu je

smešten detektor beta zračenja u obliku off axis cevi. Najdeblji sloj je postavljen upravo

iznad uzorka. Aktivni deo zaštite je scintilator koji se postavlja oko komore za detekciju. To je

sloj mineralnih ulja, koji štiti uzorak od kosmičkog (tvrda mionska komponenta) i

visokoenergetskog gama zračenja. Ovo zračenje ekscituje atome materijala kroz koji prolaze,

prilikom čega atomi emituju svetlost i vraćaju se i osnovno stanje. Te scintilacije se detektuju

i predstavljaju signal. Za detektovanje scintilacija koje potiču samo od uzorka, koriste se dve

zaštitne fotomultiplikatorne cevi, a dodatni fotomultiplikator će detektovati scintilaciju u

samom elementu zaštite. Prikupljeni signali se šalju na obradu i prebrojavaju. Potrebno je

izvršiti korekciju, tj. oduzeti fon, koji utiče na rezultate. Ako je signal u koincidenciji sa

impulsom u beta detektoru, onda može da spreči AD konverziju ili da konvertovani signal

smesti u MCA 2 Half 2 (Quantulus 1220 Instrument Manual, 2002).

MCA 2 se koristi za merenje spektra quarda. S obzirom na to da je elektronika guarda

i beta detektora slična, moguće je merenje energijskog spektra pozadinskog zračenja u

zaštiti. Half 2 meri koincidentne, dok Half 1 meri sve ostale antikoincidentne.

MCA 1 se razdvaja na Half 1 i Half 2. Half 1 meri signale koji potiču iz uzroka i u

antikoincidenciji su sa signalom iz guarda. S druge strane, Half 2 meri signale iz guarda koji su

u koincidenciji sa signalima iz beta detektora.

Na sledećem grafiku, prikazana je efikasnost aktivnog antikoincidentnog štita. Kriva 1

predstavlja odbroj kada štit nije aktivan, a kriva 2 kada se štit aktivira. Evidentno je u kolikoj

meri aktivna zaštita doprinosi redukciji pozadinskog zračenja.

33

Grafik 3. Grafik zavisnosti odbroja detektora po kanalu bez (1) i sa (2) aktivnom zaštitom.

34

Detektorski sistem Quantulusa

Detektorski sistem se sastoji od analizatora oblika impulsa (PSA - Pulse Shape

Analysis), komparatora amplituda impulsa (PAC - Pulse Amplitude Comparator) i kola za

zakasnele koincidencije (DCOS - Delayed Coincidence Circuit) za korekciju

hemiluminiscencije. Zakasnele koincidencije se usmeravaju na višekanalni analizator i

snimaju kao hemiluminescentni spektar. Postoji i drugi višekanalni analizator, pa se preostali

signali usmeravaju na njega. Programski mod, DPM, prikazuje rezultate efikasnosti koji su

korigovani za vrednosti efekta prigušenja i vrednost faktora prelivanja. Efekat prigušenja

(quenching) je kvantifikovan eksternim standardom, SQP(E) parametrom, koji se nalazi u

samom sistemu i korišćen je prilikom određivanja efikasnosti sa kalibracionim krivama.

MCA Quantulusa

Tečni scintilacioni detektor se zasniva na tehnologiji višestrukih višekanalnih

analizatora. Quantulus 1220 spaja dve duple analize, čime se dobija umnožena višekanalna

analiza. MCA sistem se sastoji od dva dualno programirana višekanalna analizatoa koji

omogućavaju simultano merenje četiri spektra. Svaki spektar ima rezoluciju od 1024 kanala.

Slika 15. Princip rada MCA.

35

Višekanalna analiza daje informaciju o broju događaja i enegetskoj distribuciji izotopa

koji se meri. Broj događaja je ukupan broj odbroja po kanalima, a energetska distribucija

sadržaj svakog kanala. Moguće je selektovati signale iz koincidentnog kola, aktivne zaštite ilil

fotomultiplikatora tako da se pokrene ili zaustavi logaritmaska AD konverzija. Logaritamski

prikaz proširuje spekar i poboljšava mogućnost optimizacije odnosa signala prema fonu.

Višekanalna analiza daje informaciju o broju događaja i enegetskoj distribuciji izotopa

koji se meri. Broj događaja je ukupan broj odbroja po kanalima, a energetska distribucija

sadržaj svakog kanala. Višekanalni sistem analize podrazmeva postojanje većeg broja kanala i

memorije koja će da sačuva što veću količinu dobijenih informacija, tokom merenja.

Quantulus 1220 ima osam nezavisnih prozora za brojanje, tako da se svaki nezavisno može

podesiti na merenje u okviru određene energije (Quantulus 1220 Instrument Manual, 2002).

Za uzorke niskih aktivnosti, potrebno je duže vreme merenja, tokom koga je

obavezno praćenje stabilnosti uzorka i promene efikasnosti detektora. Moguće je selektovati

analogne signale koji dolaze iz koincidentnog kola, elektronike analizatora impulsa, aktivne ili

pasivne zaštite i konvertovati ih u digitalni signal pomoću AD konvertora.

36

PSA

Analizator oblika impulsa (PSA – Pulse Shape Analysis) se koristi za napredno

razdvajanje alfa i beta spektra prema klasifikaciji amplituda impulsa. Takođe, doprinosi i

dodatnoj redukciji backgrounda prilikom brojanja alfa i beta impulsa. PSA omogućuje i

znatno smanjenje beta pozadinskog zračenja, pogotovo u staklenim bočicama. Postiže se

smanjivanjem efikasnosti brojanja impulsa i može se primeniti i za alfa background.

Alfa čestice imaju energiju oko 5MeV, što je dovoljno za kreiranje tripletnih stanja u

rastvaraču. Molekuli rastvarača se sporije vraćaju u osnovno stanje sa tripletnih, u odnosu na

singletna stanja koja potiču od beta čestica. Merenjem vremena raspada i dužine impulsa,

dobijaju se informacije o kojoj čestici se radi i simultano se mere alfa i beta spektri.

Identifikacija čestica se zasniva na poređenju sa poznatim uzorcima. Koristi se kalibraciona

kriva za različite emitere merenjem SQP(E) i pozicija pikova.

Grafik 4. Razlikovanje alfa i beta spektra.

Dužina impulsa zavisi od vrste rastvarača i fluora, tj. od prigušenja u uzorku. Postoje

brzi kokteli koji sadrže ksilen, preudokumen, toluen i dioksan i spori koji su bezbedniji,

biorazgradivi koji se baziraju na diizopropilnaftalenu (DIN). Što je veće prigušenje impuls je

kraći. Na samo prigušenje utiče i PSA nivo za optimalnu separaciju spektara. Što je ovaj nivo

niži, stepen prigušenja će biti viši i samim tim dužina impulsa se skraćuje. Dužina impulsa je

37

čist fizički fenomen i ne zavisi od korišćenog instrumenta. Prigušenje može da se kompenzuje

linearnim fitom između efikasnosti i SQP(E) (Quantulus 1220 Instrument Manual, 2002).

Alfa i beta zasebni spektri se odvijaju razdvajanjem impulsa po amplitudi (dužini).

Impulsi iznad određene granice spadaju u duže, a oni ispod granice u kraće spektre. Kada je

granična vrednost dužine pulsa pravilno određena, tada je prvi alfa a drugi beta spektar.

Pozicija granične linije se kontroliše pomoću PSA u skladu sa osobinama rastvarača, fluora i

nivoa prigušenja. Što je quench viši, alfa spekat će se više pomerati ka nižim kanalima.

Veći deo backgrounda se sastoji iz kraćih pulseva koji po pravilu spadaju u beta

spektar. Ako se background zaista pripoji spektru beta čestica, stvara se veća nesigurnost

merenja. S druge strane, alfa background ima veoma mali odbroj (manje od 0.1 cpm). Jedna

od mogućnosti je da se ova dva spektra prikažu kao alfa zračenje niskih aktivnosti u prisustvu

visoke beta aktivnosti. Moguće je detektovati i raspade prirodnih radioaktivnih nizova sa

većom osetljivosti merenjem ukupnog alfa i beta odbroja i iz toga zaključiti koji deo pripada

alfa emisiji.

Energijska rezolucija zavisi od količine prigušenja u uzorku. Najbolja rezolucija za alfa

čestice u LSC je oko 300 keV FWHM. Što je veći quench, rezolucija je lošija. Na primer, ako se

pomeša 8 ml vode sa 12 ml koktela (sa velikim prigušenjem) pikovi 226Ra, 222Rn i 218Po nisu

razdvojeni. Na većim energijama, pik 214Po je razdvojen (Quantulus 1220 Instrument Manual,

2002).

Slika 16. Alfa i beta spektar 226

Ra meren tečnim scintilacionim detektorom.

38

Rezolucija zavisi i od vrste bočice koja se koristi. Providne teflonske bočice bolje

rasejavaju svetlost i imaju bolju rezoluciju u odnosu na staklene. Ako uzorak previše dugo

stoji u bočici, može doći do smanjenja rezolucije zbog akumulacije alfa emitera na površini

bočice. Alfa čestice mogu i da se apsorbuju na zidovima bočica, što dovodi do smanjenja

rezolucije i efikasnosti, kao i stvaranja repa na alfa pikovima. Problem dugog stajanja u bočici

može da se izbegne dodavanjem kiseline u rastvor, najčešće 0.1-0.5M koncentracije HCl.

Brzi kokteli izazivaju efekat zidova na plastičnim bočicama. Dolazi do distorzije

spektra i nestabilnosti u detekciji alfa impulsa. Zbog toga se ne preporučuje korišćenje

plastičnih bočica u kombinaciji sa brzim koktelima za detekciju alfa čestica, već teflonske,

plastične prekrivene teflonom ili staklene bočice.

39

PAC

Komparator amplitude impulsa (PAC – Pulse Amplitude Comparator) ima ulogu u

redukovanju komponente backgrounda nastale neželjenim optičkim smetnjama (LSC

crosstalk).

Značajna količina backgruonda u LSC nastaje fluorescencijom i Čerenkovljevim

zračenjem na fotomultiplikatorskim cevima. Koincidentni impulsi obuhvataju komponente

visokih amplituda, iz cevi sa kojom je zračenje interagovalo, i malih amplituda, iz druge PMT.

Optičke smetnje nastaju kad druga PMT cev takođe detektuje neke emitovane fotone.

Scintilacije u bočici proizvode koincidencije sa manjom relativnom razlikom između

amplituda ovih komponenti u odnosu na PMT cevi.

Slika 17. Stvaranje optičkog crosstalk-a.

PAC se zasniva na principu poređenja amplituda impulsa. Koncidentni impulsi se

sastoje od izlazne komponente obe PMT cevi. Kada se amplitude dosta razlikuju, tada je

odnos komponenti blizu nule, dok je odnos približno jednak jedinici u slučaju kada nema

veće razlike između impulsa. PAC nivo može da se podešava od 1 do 256 u zavisnosti od

odnosa amplituda koji se kreću od nule do 0.8(Quantulus 1220 Instrument Manual, 2002).

40

Slika 18. Razlika u amplitudama impulsa koji dolaze sa različitih PMT cevi.

41

Princip rada Quantulusa

Ispod zaštite Quantulusa, nalaze se tri tacne, sa po 20 mesta za bočice sa uzorcima.

Levo je postavljena tacna 1, u sredini 2, a desno tacno broj 3.

Slika 19. Tacne sa uzorcima.

Ako je moguće prvo treba popunjavati jednu po jednu tacnu sa uzorcima, da bi u

slučaju da ukupno ima 40 uzoraka, poslednja tacna ostala slobodna da se koristi za druga

merenja. Uzorak se može postaviti na bilo koje mesto, ali moramo voditi računa koji uzorak

stoji na kom mestu, jer Quantulus 1220 razlikuje bočice po njihovim pozicijama. Bočice su

jednakih dimenzija, zapremine 20 ml i mogu da budu plastične ili staklene.

Slika 20. Prva, druga i treća tacna u Quantulusu.

Iznad svake tacne stoje dve LED diode, crvena i zelena. Ako je upaljena crvena

lampica to znači da je uzorak postavljen na predviđeno mesto za merenje, a ako svetli zeleno

svetlo, znači da uzorak nije još postavljen i da se tacna može izvuci radi novog popunjavanja.

Na primer, ako su popunjena mesta od 1-25, znači da su prva i druga tacna zauzete i iznad

njih će se upaliti crvena dioda, dok će iznad treće sijati zelena.

42

WinQ

Quantulus 1220 je povezan s kompjuterom koji, preko programa WinQ, izdaje

naredbe o dužini trajanja merenja, broju tacne i uzorka. Programom zadajemo naredbu koja

tacna će se pomeriti u centralni deo uređaja, ispod usisnog kanala. Kompjuterska naredba

sadrži i informaciju o poziciji bočice koju želimo da ispitamo, pa u skladu sa tim, kanal je

povlači i vrši se analiza. U programu se zadaje broj ciklusa, tj. broj pojedinačnih ponavljanja

merenja uzorka.

Posle zadatog vremenskog intervala, bočica se vraća na svoje mesto na

tacni.Uključivanje detektora sastoji se od napajanja uređaja (200 V), jedinice za hlađenje

(350 V) i uključivanja kompjutera i Quantulusa. Jedinice za hlađenje sastoje se od bakarne

cevi, kroz koju cirkuliše voda. Četiri Peltier elementa održavaju temperaturu instrumenta 12°

nižu u odnosu na temperaturu okoline (WinQ, 2000).

U okviru User Windowsa postoje tri prozora: korisnički, prozor za protokol i redosled.

Moguće je podešavati razne funkcije, npr. odabir korisnika, protokola, što je prikazano u delu

za redosled merenja.

Slika 21. Prozor programa WinQ.

43

U konfiguraciji za C-14 prikazani su MCA 1 Half 1 i Half 2, kao i MCA 2 Half 1 i Half 2.

MCA 1 se koristi za analizu kombinovanjem impulsa koji dolaze sa leve i desne PM.

Korišćenjem koincidentnih uslova, okidanjem se redukuju slučajne koincidencije koje potiču

od termalnog šuma. MCA 2 Half 1 analizira antikoincidentne događaje iz quarda, dok se u

MCA 2 Half 2 analiziraju koincidentni (WinQ, 2000).

Slika 22. Prikaz MCA prozora u programu.

44

Easy View

Easy View je program za analizu i prikaz spektara visoke rezolucije dobijenih na

Quantulusu. U opcijama programa, potrebno je rezoluciju podesiti na 1024 kanala. U okviru

DMP protokola, označava se i merenje SQP(E). Spektar eksternog standarda se meri 1 min ili

duže. Dva MCA u Quantulusu su podeljeni na po dve polovine i svaka polovina analizira 1024

kanala. Ovim se dozvoljava simultano merenje četiri spektra plus spektar spoljašnjeg

standarda. Upravo o tome govori i naziv spektra. Za konfiguraciju merenja ugljenika, spektri

imaju nazive SP 11, SP 12, SP 21 i SP 22. SP 11 je spektar beta zračenja zajedno sa

backgrounom, SP 12 je spektar beta zračenja bez pozadinske komponente, SP 21 spektar

quard-a (nije u koincidenciji sa beta događajima) i SP 22 predstavlja spektar quard-a sa

koincidentnim događajima (EasyView, 1998).

Glavni prozor programa je podeljen na 4 dela, deo za selekciju spektra, podaci o spektru,

prozor za proračune i sam spektar uzorka.

Slika 23. Deo za selekciju spektra (levo) i podaci o spektru (desno).

45

Spektar je prizan kao funkcija odbroja i rednog broja kanala. Kanali idu od 1-1024.

Moguće je podesiti zavisnost obroja od energije, s tim da bi tada skala imala vrednosti od 0-2

MeV. Širina prozora je određena crvenom i zelenom vertikalnom linijom.

Slika 24. Prikaz spektra uzorka u programu EasyView.

Pre analize samog spektra, u prozoru View – Window definitions se podešavaju

određeni parametri, kao što su opseg kanala, vrsta spektra, prikaz rezultata (cpm, cps,

odbroj, dpm).

Slika 25. Prikaz podešavanja parametara spektra.

46

5.2. Standard C-14

U eksperimentu, korišćen je vodeni rastvor C-14 kao standard. Proizveden je od

strane Perkin Elmer-a i koristi se za kalibraciju instrumenta. Aktivnost standarda je

sertifikovana i na dan 9.7.2008 je iznosila A(14C)=(9.19 ∙105± 3%)dpm ml-1. Odnos zapremine

uzorak:scintilacioni koktel je ispitan sa najvišim vrednostima FOM (Figure of Merit), o čemu

će biti više reči u Poglavlju 5.6.

5.3. Kalibracioni uzorci

Za kalibraciju korišćen je Ultima Gold F (UGF) scintilacioni koktel, PerkinElmer. UGF se

koristi isključivo za nepolarne organske materijale. Ne sadrži emulgatore, pa zato ima i

visoku efikasnost. Nije pogodan za vodene uzorke, kao ni visoko polarne organske uzorke

(metanol, acetilacetat). Veoma je otporan na quench efekat i ima tačku paljenja (najniža

temperatura na kojoj supstanca isparava i formira zapaljivu smešu) na 150°C.

Za određivanje backgrounda korišćene su različite fosilne matrice – dizel,

komercionalna dizel goriva sa aditivima prema standardu EN 590, premijum kvalitetno dizel

gorivo, destilovanu vodu, benzin, naftni etar i ulje. Fosilna dizel goriva su proizvedena u

rafineriji NIS Petrol i testirani su prema SRPS EN 590:2010 standardu. Rezultati su pokazali da

su svi uzorci fosilnih goriva sa aditivima u skladu sa SRPS EN 590 standardom.

Najčešća forma biogoriva na svetskom tržištu, trenutno je FAME (Fatty Acid Methyl

Esters) – metil estri masnih kiselina. Mešavine komercijalnog dizela sa zimskim i letnjim

paketom aditiva i biodizela u odnosima 99:1%(v/v), 97:3%(v/v), 95:5%(v/v), 93:7%(v/v),

90:10%(v/v) i 0:100%(v/v), korišćene su kao kalibracioni uzorci.

47

5.4. Direktni LSC metod

Direktna metoda je relativno brza i jednostavna procedura pomoću koje se određuje

maseni udeo biogene komponente u biogorivima na osnovu merenja aktivnosti 14C u uzorku

na tečnom scintilacionom detektoru. S obzirom na to da postoji mnogo različitih vrsta

biogoriva koje ispoljavaju različite efekte prigušenja, glavni nedostatak ove metode je

ograničena koja sama kalibracija ima obzirom da određena kalibraciona kriva odgovara

specifičnoj biokomponenti u fosilnoj matrici i da se za svaku matricu konstruiše nova kriva.

5.5. Priprema uzorka

Priprema uzoraka za direktnu LSC metodu je veoma jednostavna jer ne zahteva

prethodnu radiohemijsku pripremu. U platičnoj bočici se direktno mešaju goriva sa

scintilacionim koktelom. Prethodno je ispitano koji je scintilacioni koktel najpogodniji za

merenje, kao i odnos zapremine scintilacioni koktel – uzorak (Stojković et al., 2017). Gorivo i

koktel su korišćeni u predviđenom optimalnom odnosu 10:10. Korišćeno je 10 ml goriva i 10

ml UGF koktela. Plastične bočice su napravljene od polietilena i sadrže veoma male količine

backgrounda, pa su pogodne za supstance niskih aktivnosti. U konkretnom slučaju, pokazale

su veću efikasnost u odnosu na staklene bočice, a karakteriše ih i niža cena pa su samim tim

dostupnije za upotrebu.

48

5.6. Metodologija

Da bi se razvila metoda kvantitativnog određivanja C-14 u biogenim gorivima, prva

merenja su izvršena u okviru protokola za C-14 na Quantulusu u trajanju od 1000min.

Podešavanje parametara je prikazano na Slici 26.

Slika 26. Podešavanje parametara u okviru protokola C-14 u programu EasyView.

PAC je podešen na 100. U radu (Stojković et al., 2017) pokazano je da PAC ne bi smeo da

bude niži od 50 i viši od 150. Na Grafiku 5 su prikazane izmerene vrednosti odbroja za

suncokretovo ulje sa 10% i 100% biogene komponente, kao i svinjska mast sa 10% i 100%

udela za različite vrednosti PAC, sa ovog grafika se može zaključiti da je odbroj najstabilniji

upravo u oblasti PAC vrednosti 50-100.

49

Grafik 5. Merenje uzoraka na različitim PAC nivoima (Stojković et al., 2017).

Svaki uzorak je pripreman u tri probe i skladišten u mraku jedan dan da bi se eliminisali efekti

hemiluminiscencije (Stojković et al., 2017).

50

„One-step“ metod

Moguća su dva načina kalibracije, formiranje kalibracione krive u jednom koraku

(„one-step“) i u dva koraka („two-step“). U „one step“ metodi, za proračune se koristi odbroj

uzorka i masa uzorka. Ovi podaci se koriste u računu za maseni udeo biogene komponente u

saglasnosti sa kalibracionom krivom određene smeše.

Maseni udeo biokomponente u gorivima (%𝑚) se računa kao

%𝑚 =𝑚𝑏𝑖𝑜

𝑚𝑏𝑖𝑜+𝑚𝑓𝑜𝑠, (6)

gde je 𝑚𝑏𝑖𝑜 masa biokomponente u [𝑔], a 𝑚𝑓𝑜𝑠 masa fosilnog goriva u [𝑔].

Pretpostavljena je jednostavna veza između biogene komponente i odgovarajućeg

izmerenog odbroja u beta spektru. Ovakav metod je primenljiv kod uzoraka sa poznatim

hemijskim biogenim i fosilnim komponentama.

Da bi se odredio maseni udeo biogene komponente u gorivima, potrebno je

konstruisati kalibracionu krivu na kojoj je prikazana zavisnost poznatih frakcija biogene

komponente od izmerenih odbroja.

Na Grifiku 6 prikazana je dopunjena kriva u odnosu na rad (Stojković et al., 2017) sa

dodatnim tačkama. Funkcija predstavlja rešenje za sve matrice goriva.

Grafik 6. Kalibraciona kriva za „one-step“ metod (Nikolov et al., 2017).

51

Na sledećoj slici su prikazani kalibracioni faktori i jednačine za „one-step“ metodu izvedenu u

radu (Stojković et al., 2017). Vidimo da su funkcije linearne i da sa povećanjem udea biogene

komponente raste i odbroj.

Slika 27. „One-step“ kalibracioni faktori (Stojković et al., 2017).

Smeše su pripremane sa 1-10% udela biogoriva, sa SQP(E) vrednostima znatno

manjim nego u slučaju sa 100% biogene komponente. Kalibraciona kriva za suncokretovo

ulje i svinjsku mast (Slika 28) fitovana je na linearnu funkciju sa tačkom preseka u nuli, što

znači da ako nema biogene komponente u uzorku (A(14C)=0), ne detektuje se ni odbroj.

Slika 28. „One-step“ kalibraciona kriva (Stojković et al., 2017).

52

U Poglavlju 5.7 će biti prikazano poređenja metoda za određivanje udela biogene

kompopnente u tečnim gorivima. U interkomparaciji su učestvovali Ruđer Bošković Institut

(RBI) i Univerzitet u Novom Sadu (UNS). Kolege sa RBI su koristili „one-step“ metod koji se

razlikuje od metoda primenjenog na UNS, pa će u nastavku i on biti opisan. Jedan od načina

je da se iskoriste različita (potpuno) biogena goriva različitih boja i efekata prigušenja i da se

konstruiše MCC kriva (modern calibration curve). MCC kriva prikazuje zavisnost SQP(E) i

ukupnog odbroja biogene komponente uzorka kao što je urađeno u refereci (Krajcar et al.,

2014).

Grafik 7. MCC kriva (Krajcar et al., 2014).

Na sledećoj slici su prikazana goriva različite boje za koje je konstruisana MCC. Kod obojenih i

tamnijih uzoraka su i efekti prigušenja jači.

Slika 29. Korišćena goriva za konstrukciju MCC krive (Krajcar et al., 2014).

53

Na Grafiku 8 prikazani su spektri uzoraka sa 0, 20, 40, 60, 80 i 100% biogene

komponente. Najveći odbroj se dobija za 100% biogeno gorivo, dok je najmanji, kao što je i

očekivano, dobijen za 100% fosilno gorivo (Krajcar et al., 2014).

Grafik 8. Spektri uzoraka sa 0, 20, 40, 60, 80 i 100% biogene komponente.

Ovaj metod ne koriguje efekte prigušenja, što je i njegova glavna mana. „One-step“ metod je

veoma jednostavan, ali ne daje dovoljno dobre rezultate, kao u slučaju „two-step“ metode.

54

„Two-step“ kalibracija

„Two-step“ kalibracija podrazumeva predhodno određenu korelaciju između

efikasnosti i SQP(E), i koncentracije aktivnosti i biogene komponente. Efikasnost se dobija iz

SQP(E) vrednosti, a zatim se pomoću efikasnosti određuje aktivnost uzorka. Podešavaju se

parametri za efikasnost brojanja specifičnih uzoraka. dpm/g se koristi u proračunu za %m i

bazira se na kalibracionoj krivoj za posebnu matricu (Krištov, 2015).

Ovakva procedura zahteva krivu korekcije prigušenja (zavisnost efikasnosti i SQP(E)),

što omogućava računanje koncentracije aktivnosti uzorka i njenu zavisnost od masenog

udela biogene komponente.

U ovom eksperimentu, za kalibraciju metode, korišćenje „two-step“ metod, kao

pouzdaniji metod. Koriguje efekte prigušenja koji su česti kod goriva, zbog njihove boje.

U drugom koraku, određuje se efikasnost brojanja kao

𝜀 =𝑅𝑠

𝑉𝐴, (7)

gde je 𝑅𝑠 brzina odbroja standarda[𝑐𝑝𝑚], V je zapremina standarda i A spajkovana aktivnost

standarda [𝑑𝑝𝑚

𝑚𝑙].

Koncentracija aktivnosti C-14 se određuje iz sledeće formule

𝐴 =𝑅𝑎−𝑅𝑏

60𝜀𝑉, (8)

gde je 𝑅𝑎 brzina odbroja uzorka, 𝑅𝑏 brzina odbroja backgrounda.

Minimalna granica detekcije (MDA) se određuje pomoću Kirijeve formule

𝑀𝐷𝐴 =2.71+4.65√𝑅𝑏𝑡𝑏

60𝜀𝑉𝑡𝑏, (9)

gde je 𝑡𝑏 vreme merenja backgrounda [𝑚𝑖𝑛], dok se efikasnost 𝜀 odnosi na efikasnost

detekcije backgrounda i računa se kao

𝜀 =𝑅𝑏

𝑉𝐴. (10)

55

Određivanje minimalne granice detekcije – MDA

Svaki instrument ima svoju minimalnu detektabilnu granicu. MDA je ograničenje

samog detektora, jer on ispod određene vrednosti ne može da detektuje nikakav odbroj. Da

bi se odredila MDA vrednosti, blank uzorci su mereni i konstruisana je MDA kriva. Što se

uzorak duže meri, MDA vrednost biće sve niža i detektor će biti u stanju da izmeri i niže

aktivnosti. MDA kriva predstavlja zavisnost minimalne aktivnosti koje instrument može da

detektuje MDA (Bq/l) od vremena merenja. Minimalna aktivnost se računa prema formuli

(9). Za vreme merenja od 1000 min, dobijena vrednost MDA predstavlja aktivnost

backgrounda.

S obrzirom na to da su u eksperimentu korišćena dva paketa aditiva, potrebne se dve

odvojene MDA krive. U Tabeli 2, prikazani su rezultati i za letnji i zimski paket. Aktivnost

letnjeg paketa obeležena je sa A1, dok je aktivnost zimskog A2.

Tabela 2. Minimalne granice detekcije za letnji (A1) i zimski paket aditiva (A2) za različita vremena merenja.

t (min) A1 (Bq/l) A2 (Bq/l)

60 3,3(16) 2,4(11)

120 2,5(9) 1,6(6)

300 1,4(3) 1,02(22)

600 1,02(16) 0,69(11)

1000 0,81(9) 0,55(7)

1300 0,69(7) 0,48(5)

Najniža aktivnost se dobija za najduže vreme merenja. Za merenje u trajanju 1300

min, dobija se minimalna aktivnost za letnji paket 0,69 Bq/l, dok je za zimski granična

aktivnost nešto niža 0,48 Bq/l.

56

Na Grafiku 9 prikazana je MDA kriva za letnji paket aditiva.

Grafik 9. MDA kriva za letnji paket aditiva.

Jednačina krive je

𝑦 = 0,68(5) + 2,4(6) ∙ (1 − 𝑒−𝑥

30(7)∗10), (11)

a 𝑅2 = 0,90991.

57

Za zimski paket aditiva, takođe je konstruisana MDA kriva (Grafik 10).

Grafik 10. MDA kriva za zimski paket aditiva.

Jednačina krive je

𝑦 = 0,474(28) + 1,7(3) ∙ (1 − 𝑒−𝑥

29∗(6)∗10), (12)

a 𝑅2 = 0,94018.

U oba slučaja, i za letnji i zimski paket aditiva, dobija se eksponencijalna zavisnost

između minimalne aktivnosti i vremena merenja. Što je duže vreme merenja, niža je i

aktivnost. Prilikom korišćenja zimskog paketa aditiva, instrument može detektovati niže

aktivnosti, nego u slučaju letnjih paketa.

58

Optimalni odnos zapremine goriva i koktela

Optimalni odnos zapremine goriva i koktela (UGF) biran je tako da se dobije najniža

granica detekcije (MDA), naviši SQP(E) i najviši FOM. Figure of merit se računa kao

𝐹𝑂𝑀 =𝜀2

𝑅𝑏. (13)

Najbolji rezultati su dobijeni za optimalni odnos 10:10, što je prikazano na sledećoj slici

(Stojković et al., 2017).

Slika 30. Određivanje optimalnog odnosa zapremine uzorka i scintilacionog koktela (Stojković et al., 2017).

59

Optimalna širina prozora

Da bi smo dobili što tačnije rezultate, potrebno je odrediti optimalnu širinu prozora,

tj. opseg kanala koji se uzimaju u obzir. Širina prozora se može odrediti na osnovu

parametara (najviši FOM i najniži MDA) ili vizuelno. U već pomenutom radu,Biogenic fraction

determination in fuels – Optimal parameters survey. Fuel 2017;191:330-338prozor je

podešen između 230-540ch prema najvećoj vrednosti FOM parametra (Slika 31).

Slika 31. Određivanje optimalne širine prozora prema najvećoj vrednosti FOM parametra (Stojković et al., 2017).

U ovom radu, na osnovu vizuelnih zapažanja, optimalna širina prozora je proširena na 150-

540ch, jer se u tom ospegu kanala nalaze maksimumi u spektru na osnovu kojih određujemo

aktivnosti 14C u uzorku.

60

Na sledećim slikama prikazane su različite širine prozora 230-540 i 150-540 kanala. Ako se

prozor definiše od 230-540kanala, primetno je da jedan deo spektra ostaje izvan opsega i ne

podleže analizi (Slika 32).

Slika 32. Širina prozora 230-540 kanala.

Kada se donja granica prozora proširi na kanal 150 (Slika 33), tada ceo spektar standarda

ulazi u okvire definisanog opsega i sigurni smo da smo ceo spektar uzeli u obzir prilikom

obrade podataka.

Slika 33. Širina prozora 150-540 kanala.

61

5.7. Rezultati merenja

Kalibracija sistema

Za kalibraciju sistema korišćeno je suncokretovo ulje i svinjska mast, sa letnjim i

zimskim paketom aditiva u opsegu biogenih komponenti od 1 do 100% u skladu sa

dostupnim sintetisanim uzorcima. U Tabelama 4-11 i Graficima 11-18 prikazani su dobijeni

rezultati sa procenjenim mernim nesigurnostima. Srednji odbroj je dobijen kao srednja

vrednost za N merenja

�̅� =1

𝑁∑ 𝑥𝑖

𝑁𝑖=1 (14)

dok greška predstavlja standardnu devijaciju koja se računa kao

𝜎 = √1

𝑁∑ (𝑥𝑖 − �̅�)2

𝑁𝑖=1 (15)

gde je N broj merenja, 𝑥𝑖 dobijene vrednosti, a �̅� srednja vrednost odbroja.

U tabelama su, takođe, prikazani i srednja vrednost SQP(E), efikasnost detekcije i

aktivnost sa greškama. Srednji SQP(E) parametar i njegova standardna devijacija su računati

po istom postupku kao i srednji odbroj, a efikasnost prema formuli (7), gde se dodata

aktivnost standarda računa kao

𝐴 = 9,19 ∙ 105𝑑𝑝𝑚

𝑚𝑙∙ 0,020𝑚𝑙 = 13830𝑑𝑝𝑚 (16)

U nazivu (npr. LESO1%-5-3) LESO je naziv paketa (letnji paket Somborca), 1% udeo biogene

komponente, 5 – broj merenja, 3 – broj probe. Za 5 ciklusa određuje se srednja vrednost

odbroja i SQP(E).

Za svaki uzorak izmerena je brzina odbroja (counts per seconds) i SQP(E) parametar

sa standarnom devijacijom. Izabran je prozor od 150-540 kanala. Uzorci su spajkovani,tj.

dodata im je aktivnost standarda C-14. Svaki uzorak je meren u 5 ciklusa, po 100min.

62

Uzorci

Jedna od glavnih smetnji koja se javlja pri merenju je background, o čemu smo

govorili u Poglavlju 2.6. Doprinos pozadinskog zračenja je potrebno eliminisati, da bi se dobili

što tačniji rezultati. Svaki izmereni odbroj se mora umanjiti za odbroj backgrounda, da bismo

bili sigurni da se rezultat odnosi isključivo na naš uzorak.

𝑅 = 𝑅𝑖𝑧𝑚 − 𝑅𝑏 (17)

Odbroj backgrounda se dobija merenjem blank-a. Blank predstavlja bočicu sa

scintilacionim koktelom. Blank se meri relativno dugo, 1000min. Meri se blank 1, tj. koktel sa

letnjim aditivima i blank 2, sa zimskim.

U sledećoj tabeli prikazani su odbroji i SQP(E) za protokol blank 1 (letnji) i blank 2

(zimski paket aditiva) merenih po 1000 min. Oznaka PL-B1-UGF upućuje na plastičnu bočicu

sa UGF koktelom za letnji paket aditiva.Za letnji paket aditiva odbroj blank-a je 1,98 cpm, dok

je za zimski nešto niži, 1,2 cpm.

Tabela 3. Blank 1 (za letnji paket) i blank 2 (za zimski paket) i njihovi odbroji i SQP(E).

Protokol Naziv 𝑅𝑏 (cpm) SQP(E)

BLANK1 PL-B1-UGF 1,98(5) 768,33

BLANK 2 PL-B2-UGF 1,20(4) 823,28

Kalibracija instrumenta izvršena je sa dve vrste fosilnih goriva sa aditivima, za letnju i

zimsku sezonu, FAME proizveden od svinjske masti i od suncokretovog ulja. FAME biodizel je

pripremljen konvencionalnim homogenim transestrovanjem masnih kiselina u metil alkoholu

u prisustvu KOH kao katalizatora. Ostaci nečistoća su odstranjeni vodom, a ostatak vode je

uklonjen silikonskim gelom. Nakon filtracije, FAME je testiran u skladu sa standardom EN

14214:2009 (Idoeta, 2014).

Suncokreti rastu u Srbiji na oko 178000 ha i prosečni prinos je oko 2.54 t po hektaru.

Neke od prednosti suncokreta su to što je dobar izvor proteina sa amino kiselinama koje su

slične kao kod soje, ali ne sadrže nehranljive materije koje se nalaze u soji. Domaće

suncokretovo ulje „Somborac“ je korišćeno u eksperimentu. Oksidacija i starenje biodizela

dovode do formiranja kiselina i povećavanje viskoznosti. Poznato je da nezasićene, pogotovo

63

polunezasićene, masne kiseline u sirovim materijalima podležu oksidaciji i polimerizaciji. S

obzirom na to da svinjska mast sadrži manje nezasićenih masnih kiselina i da u njima nema

dvostrukih veza, to je čini potencijalno dobrom sirovinom za proizvodnju biodizela.

Letnji paket suncokretovog ulja sadrži uzorke sa 1%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%,

70%, 80% i 90% dok zimski paket sadrži uzorke sa 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%

i 100% udelabiogene komponente. Uzorci svinjske masti sa letnjim paketom aditiva sadrže

sledeće udele biogene komponente: 1, 10, 20, 30 i 50%. dok za uzorke sa zimskim paketom

imamo 1, 5, 10 i 100%.

64

Letnji paket suncokretovog ulja

U Tabeli 4 prikazani su rezultati merenih uzoraka (suncokretovo ulje „Somborac“ sa

paketom letnjih aditiva). Svaki uzorak meren je u tri probe po 1000min i računata je srednja

vrednost prema (14).

Tabela 4.Srednji odbroj i aktivnost uzoraka suncokretovog ulja „Somborac“ sa paketom letnjih aditiva.

%m Naziv Srednji Ra (cpm) A (𝐵𝑞

𝑙)

1 LETSO1%-5 1,36(28)

65

Tabela 5. Srednji odbroj, srednji SQP(E) i efikasnost spajkovanih uzoraka suncokretovog ulja „Somborac“ sa paketom letnjih aditiva.

%m Naziv Srednji Rs (cpm) Srednji SQP(E) 𝜀

1 A-LESO1%-5-3 545(3)*10 708,9(4) 0,297(9)

10 A-LESO10%-9-3 671(3)*10 690,5(21) 0,365(11)

20 A-LESO20%-25-3 430(21)*10 693,5(5) 0,234(14)

30 A-LESO30%-26-3 1280(4)*10 703,1(7) 0,6966(23)

40 A-LESO40%-27-3 1303(4)*10 720,1(24) 0,708(22)

50 A-LESO50%-28-3 1513(11)*10 713,7(6) 0,822(25)

60 A-LESO60%-29-3 1638(4)*10 743,4(18) 0,890(27)

70 A-LESO70%-30-3 16578(22) 753,3(16) 0,901(27)

80 A-LESO80%-31-3 18920(11) 776,8(8) 1,03(3)

90 A-LESO90%-32-3 24048(20) 803,9(3) 1,31(4)

Primećujemo da, što je veći maseni udeo biogene komponente u uzorku, odbroj i efikasnost

se povećavaju. Kao veza između efikasnosti detekcije i SQP(E) parametra konstruisan je

Grafik 11